WO2012020727A1 - マニホールド用熱伝達体 - Google Patents

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WO2012020727A1
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heat transfer
less
exhaust gas
transfer body
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一成 今川
義洋 岡
中村　定幸
学 奥
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日新製鋼株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a heat transfer body for a manifold for transferring heat of exhaust gas to a manifold body in an exhaust manifold that guides high-temperature exhaust gas from an engine to a manifold converter or an exhaust pipe.
  • exhaust gas from the engine flows into the manifold main body through the flange, and the exhaust gas that has flowed in gathers at the collecting portion and flows out from the outlet of the collecting portion to the manifold converter, the exhaust pipe, and the like.
  • the upstream side which is the engine side of the manifold main body is cooled with the water cooling of the engine, etc., so that the material temperature is not easily raised by heat transfer from the exhaust gas.
  • the material temperature rises due to heat transfer from the exhaust gas as it goes to the downstream side, which is the collecting portion side of the manifold body.
  • the exhaust heat removal effect of the exhaust manifold is reduced on the downstream side of the manifold body. End up.
  • the exhaust gas temperature of the engine tends to rise from the viewpoint of fuel efficiency reduction and environmental measures, and therefore, it is important to suppress thermal fatigue of the manifold body.
  • ferritic stainless steel with improved heat resistance is known as an exhaust manifold material (see, for example, Patent Document 1).
  • the exhaust gas temperature will rise further in the future due to further engine improvements, etc.
  • the exhaust manifold's structural fatigue will also reduce the thermal fatigue of the manifold body. It is also important to suppress.
  • the present invention has been made in view of these points, and an object of the present invention is to provide a heat transfer body for a manifold that can suppress thermal fatigue of the manifold body and that has high-temperature strength and good oxidation resistance.
  • the manifold heat transfer body according to claim 1 is located at least upstream of the manifold main body through which exhaust gas from the engine flows in the exhaust manifold, and transmits heat of the exhaust gas from the engine to the manifold main body.
  • the alloy component is adjusted so that the B value shown in the formula (2) is 18 or more. And it is formed by light stainless steel.
  • the heat transfer body for a manifold according to claim 2 is the heat transfer body for a manifold according to claim 1, wherein the ferritic stainless steel is 3.0% or less of Cu and 3.0% or less of the mass%. It contains at least one of Mo and 3.0% or less of W.
  • the heat of the exhaust gas is transmitted to the manifold body, the temperature of the exhaust gas can be lowered to suppress the thermal fatigue of the manifold body, and the high temperature strength and oxidation resistance are good.
  • FIG. 1 It is a perspective view which shows the structure of the exhaust manifold provided with the heat transfer body for manifolds concerning one embodiment of this invention. It is a perspective view which shows the modification of the heat transfer body for manifolds same as the above. It is a perspective view which shows the modification of the heat transfer body for manifolds same as the above. It is a perspective view which shows another modification of the heat transfer body for manifolds same as the above. It is a perspective view which shows another modification of the heat transfer body for manifolds same as the above. It is a perspective view which shows another modification of the heat transfer body for manifolds same as the above. It is a table
  • reference numeral 11 denotes a manifold heat transfer body, and the manifold heat transfer body 11 is provided in the manifold body 13 of the exhaust manifold 12.
  • the manifold body 13 includes a flange 15 attached to the engine 14 and a tubular body 16 connected to the flange 15.
  • the flange 15 is formed in a substantially rectangular shape, and a plurality of, for example, four circular inflow ports 17 arranged in the longitudinal direction at a substantially central portion in the width direction are formed apart from each other. These inflow ports 17 communicate with an exhaust port (not shown) of the engine 14. Further, eight circular bolt holes 18 are formed in the vicinity of both ends in the width direction of the flange 15 so as to be separated from each other along the longitudinal direction. The flange 15 is fixed by screwing a bolt (not shown) into the bolt hole 18 in direct contact with the engine 14.
  • the tubular body 16 is composed of upper and lower first press material 19 and second press material 20 which are press-formed.
  • the tubular body 16 includes a plurality of, for example, four tubular tubular portions 23, 24, 25, and 26 corresponding to the number of the inflow ports 17, and an assembly provided integrally with the tubular portions 23, 24, 25, and 26. This is a so-called monaca structure having a portion 27.
  • the tubular portions 23, 24, 25, and 26 are assembled with one end connected to the inflow port 17 and the other end connected to the collecting portion 27.
  • tubular portions 23, 24, 25, and 26 the tubular portions 23 and 26 located outside are a straight tube portion 28 that extends substantially linearly from the inflow port 17 to the downstream side, and a substantially vertical direction from the straight tube portion 28. And a bending tube portion 29 that is bent and connected to the collecting portion 27.
  • tubular portions 24 and 25 located inside the tubular portions 23, 24, 25, and 26 have a straight tube portion 30 that extends substantially linearly from the inlet 17 to the collecting portion 27.
  • the collecting portion 27 has a collecting pipe portion 32 where the other ends, which are downstream of the tubular portions 23, 24, 25, and 26, gather, and a circular outlet 33 formed on the lower surface of the collecting pipe portion 32. is doing.
  • a manifold converter and an exhaust pipe (not shown) are connected to the outlet 33.
  • the inflow port 17, the tubular portions 23, 24, 25, 26 and the collecting portion 27 serve as exhaust gas passages from the engine 14. That is, the exhaust gas flow path in the manifold body 13 is composed of the inlet 17, the tubular parts 23, 24, 25, 26, the collecting pipe part 32, and the outlet 33 that are located in order from the upstream side to the downstream side. ing.
  • the manifold heat transfer body 11 is provided in the inflow port 17 so as to be located on the upstream side of the manifold body 13, and contacts exhaust gas from the engine 14 in the exhaust gas passage.
  • the manifold heat transfer body 11 has four rod-like heat transfer portions 34 integrally connected to the peripheral edge of the inflow port 17, and these heat transfer portions 34 are formed in a substantially cross shape intersecting substantially vertically. .
  • the manifold heat transfer body 11 is formed simultaneously with the inlet 17 by punching when the flange 15 is pressed.
  • each alloy component constituting the ferritic stainless steel and the content of these alloy components will be described.
  • the content of each alloy component is mass% unless otherwise specified.
  • C (carbon) and N (nitrogen) are generally effective elements for improving high-temperature strength such as creep strength. However, if over 0.3% is included, oxidation characteristics and workability , Low temperature toughness and weldability are reduced. Accordingly, the C content and the N content are each 0.03% or less.
  • Si silicon is an effective element for improving the high-temperature oxidation characteristics. However, if it exceeds 2.0%, the hardness increases, and the workability and low-temperature toughness decrease. Therefore, the Si content is set to 2.0% or less.
  • Mn manganese
  • Mn is an element effective for improving high-temperature oxidation characteristics, particularly scale peelability.
  • Mn is an austenite stabilizing element, if it is added in a large amount, a martensite phase is likely to be generated, which causes a decrease in thermal fatigue characteristics and workability. Therefore, the Mn content is set to 2.0% or less.
  • Cr chromium
  • Cr is an element effective for stabilizing the ferrite phase and improving the oxidation resistance important for high-temperature materials. In order to fully exhibit these effects, it is preferable to contain 10% or more. On the other hand, if it exceeds 30% and is contained excessively, it causes embrittlement and workability deterioration. Therefore, the Cr content is 10% or more and 30% or less.
  • Nb (niobium) and Ti (titanium) are effective elements for improving the high-temperature strength, but have strong affinity with C and N, and excessive addition causes precipitation that causes deterioration in workability and low-temperature toughness. It becomes easier to form things. Therefore, the Nb content and the Ti content are each 0.8% or less, and at least one of Nb and 0.8% Ti or less is included.
  • a value Nb + Ti-4 (C + N)
  • the high-temperature strength is improved even in a high-temperature environment of the exhaust gas. Therefore, in the contents of C, N, Nb and Ti, the contents of C, N, Nb and Ti are adjusted so that the A value in the formula (1) is 0.10 or more.
  • Mo molybdenum
  • W tungsten
  • Cu (copper) uses the fine dispersion precipitation phenomenon of ⁇ -Cu phase to increase the strength at around 600 ° C and improve the thermal fatigue characteristics, and at high temperatures exceeding 850 ° C, the solid solution strengthening of Cu Is used to improve the high temperature strength, and therefore it is preferable because it can improve the high temperature strength.
  • it is contained excessively exceeding 3.0%, workability, low temperature toughness and weldability are deteriorated. Accordingly, Cu is contained as necessary, and the Cu content in the case of inclusion is set to 3.0% or less.
  • the manifold heat transfer body 11 is formed of ferritic stainless steel adjusted as described above, when the exhaust gas from the engine 14 passes through the inflow port 17, the heat of the exhaust gas is reduced. It can be taken away and the taken heat can be transferred to the manifold body 13. Therefore, the temperature of the exhaust gas flowing through the manifold body 13 can be lower than the temperature when exhausted from the engine 14, and it is possible to suppress an increase in the material temperature in the vicinity of the collecting portion 27 and the collecting portion 27 due to the high temperature exhaust gas It is possible to prevent the occurrence of thermal strain caused by the temperature rise and to suppress the thermal fatigue of the manifold body 13 from the structural surface of the exhaust manifold 12. In addition, since the temperature of the exhaust gas can be lowered, deterioration of the catalyst such as a manifold converter connected to the outlet 33 of the collecting portion 27 can be prevented.
  • the manifold heat transfer body 11 is formed of ferritic stainless steel adjusted as described above, not only can the thermal fatigue of the manifold body 13 be suppressed, but also high temperature strength and oxidation resistance are good. is there. Therefore, thermal fatigue and abnormal oxidation of the manifold heat transfer body 11 itself due to exposure to exhaust gas can be suppressed.
  • the manifold heat transfer body 11 is provided on the exhaust manifold 12 having a so-called monaca structure.
  • the present invention is not limited to such a configuration.
  • the pipe is bent to form a tubular shape.
  • the present invention can also be applied to exhaust manifolds other than the Monaca structure, such as an exhaust manifold having a so-called pipe structure.
  • the manifold heat transfer body 11 does not need to be formed of ferritic stainless steel with the entire manifold heat transfer body 11 adjusted as described above, and at least a part of the ferrite heat transfer body adjusted as described above. What is necessary is just to be formed with stainless steel.
  • the heat transfer body 11 for the manifold is formed at the same time as the inlet 17 by punching when the flange 15 is pressed, and is integrally connected to the peripheral edge of the inlet 17, but is limited to such a configuration. Instead, a structure formed separately from the flange 15 may be joined and attached to the inflow port 17.
  • the manifold heat transfer body 11 is not limited to the configuration provided at the inlet 17, and may be located at least upstream of the manifold body 13, and may be provided inside the tubular body 16, for example. .
  • manifold heat transfer body 11 is not limited to a configuration that is entirely located on the upstream side of the manifold body 13, and may be, for example, as long as the manifold heat transfer body 11 is located on at least the upstream side of the manifold body 13.
  • a part of the main body 13 may be located downstream of the manifold body 13 or outside the manifold body 13.
  • the manifold heat transfer body 11 has a substantially cross shape, but is not limited to such a configuration, and the shape can be appropriately designed such as the shapes of the modified examples shown in FIGS.
  • the heat transfer body 41 for manifold shown in FIGS. 2 and 3 is formed by two substantially rectangular heat transfer plates 42. These heat transfer plates 42 are each formed with a linear notch 43 extending from the approximate center of one end to the approximate center of the heat transfer plate 42. Such two heat transfer plates 42 can be engaged with each other in a substantially vertical state through the cut portions 43.
  • the manifold heat transfer body 41 has four heat transfer portions 44 formed by two engaged heat transfer plates 42. These four heat transfer portions 44 intersect substantially vertically.
  • the manifold heat transfer body 41 is located between the first press material 19 and the second press material 20 so as to be positioned in the straight tube portions 28 and 30 of the tubular portions 23, 24, 25 and 26 of the manifold body 13. Is provided.
  • each heat transfer portion 44 has the tubular portions 23, 24,
  • the first press material 19 and the second press material 20 are welded and attached so as to contact the inner peripheral portions of 25 and 26.
  • the heat transfer section 44 has a planar shape in the flow direction of the exhaust gas in the straight pipe sections 28 and 30, so that a sufficient area that can contact the exhaust gas can be secured.
  • the heat of exhaust gas can be effectively taken away.
  • the tip of each heat transfer part 44 is in contact with the inner peripheral part of the tubular parts 23, 24, 25, 26, the heat taken from the exhaust gas is efficiently transferred to the tubular parts 23, 24, 25, 26. it can. Therefore, the temperature of the exhaust gas can be effectively reduced and thermal fatigue of the manifold body 13 can be suppressed.
  • the heat transfer portion 44 is planar in the flow direction of the exhaust gas, a sufficient opening area of the exhaust gas flow path can be secured, and the manifold heat transfer body 41 is less likely to become an obstacle to the flow of the exhaust gas.
  • the manifold heat transfer body 46 shown in FIG. 4 has four heat transfer portions 47 connected to the inlet 17 of the flange 15 and intersecting substantially vertically. These heat transfer parts 47 have a rod-like base part 48 connected to the periphery of the inflow port 17 and a fan-like protrusion part 49 that protrudes from the base part 48 toward the downstream side.
  • such a manifold heat transfer body 46 has a protruding portion 49 that protrudes downstream from the base portion 48, a sufficient area can be secured for contact with the passing exhaust gas, and the heat of the exhaust gas can be easily taken. Further, since the base 48 is connected to the peripheral edge of the inflow port 17, it is easy to transfer the heat of the exhaust gas taken by the protrusion 49 to the manifold body 13. Therefore, the temperature of the exhaust gas can be effectively reduced and thermal fatigue of the manifold body 13 can be suppressed.
  • the manifold heat transfer body 46 has a rod-like base portion 48 connected to the peripheral edge of the inflow port 17, and a fan-like projection portion 49 projects downstream from the base portion 48, so that the opening area of the inflow port 17 is sufficiently large. It can be secured, and it is difficult for the exhaust gas to flow.
  • the manifold heat transfer body 51 shown in FIG. 5 has a single rod-shaped heat transfer portion 52 provided at the inlet 17, and is formed in a single shape. That is, the heat transfer part 52 is provided so as to cross the inflow port 17.
  • the manifold heat transfer body 51 is formed simultaneously with the inlet 17 by punching when the flange 15 is pressed. Accordingly, the manifold heat transfer body 51 can be easily formed with a simple configuration.
  • the manifold heat transfer body 54 shown in FIG. 6 has eight crossed bar-shaped heat transfer portions 55. These heat transfer portions 55 extend radially from the central portion of the manifold heat transfer body 54 and are connected to the periphery of the inlet 17.
  • Such a heat transfer element 54 for a manifold can be formed simultaneously with the inlet 17 by punching when the flange 15 is pressed.
  • the manifold heat transfer body 54 crosses a plurality of heat transfer portions 55 and extends radially from the central portion, so that a larger area that can be contacted with the exhaust gas can be secured compared to the configuration shown in FIG.
  • the heat of the gas can be easily taken and the heat taken from the exhaust gas can be transmitted in multiple directions by the respective heat transfer portions 55, so that the heat transfer action is good and the temperature of the exhaust gas can be effectively reduced.
  • a heat transfer body for a manifold was formed using ferritic stainless steels having the alloy components shown in Table 1.
  • Steel type A or steel type J is an example using ferritic stainless steel that satisfies the above-mentioned regulations.
  • the B value indicated by the equation (2) This is a comparative example using a ferritic stainless steel with less than 18.
  • Steel type L is a comparative example using a ferritic stainless steel having an A value represented by equation (1) of less than 0.10 and a B value represented by equation (2) of 18 or more.
  • Steel type M is a comparative example using a ferritic stainless steel having an A value represented by the formula (1) of 0.10 or more and a B value represented by the formula (2) of less than 18.
  • the increase in oxidation after the 900 ° C. continuous oxidation test was measured in a 10% steam atmosphere, and the value that was 1 mg / cm 2 or less was marked with ⁇ , and the value was greater than 1 mg / cm 2 and 10 mg / cm 2 or less. shows what was in ⁇ , 10 mg / cm 2 shown in super 20 mg / cm 2 or less which was one of the ⁇ , indicated by ⁇ what was 20 mg / cm 2, greater than if 20 mg / cm 2 or less, Abnormal oxidation did not occur and the oxidation resistance was evaluated as good.
  • the examples of steel types A to J in which the A value in the formula (1) is 0.10 or more and the B value in the formula (2) is 18 or more are 0.2% at 900 ° C.
  • the oxidation increase at 900 ° C.- 200 h was as low as 20 mg / cm 2 or less, and the oxidation resistance was also excellent.
  • the 0.2% proof stress at 900 ° C. is lower than 10 N / mm 2.
  • the increase in oxidation at 900 ° C.- 200 h was as high as 20 mg / cm 2 and was not excellent in oxidation resistance.
  • the 0.2% proof stress at 900 ° C. is lower than 10 N / mm 2 , and the high temperature
  • the oxidation increase at 900 ° C.- 200 h was as low as 20 mg / cm 2 or less, and the oxidation resistance was excellent.
  • the comparative example of the steel type M in which the A value in the formula (1) is 0.10 or more and the B value in the formula (2) is less than 18 has a high 0.2% proof stress at 900 ° C. of 10 N / mm 2 or more, Although the high temperature strength was excellent, the increase in oxidation at 900 ° C.- 200 h was as high as 20 mg / cm 2 and the oxidation resistance was not excellent.
  • the exhaust manifold used was a SUS430J1L / 2mmt press product for the tubular body. Further, each steel type / 3.0 mmt shown in Table 1 was used for the flange, and the heat transfer body for manifold was formed by punching in a cross shape. Further, as a reference example, the heating test was performed even when the flange was punched into a circular shape and the heat transfer body for the manifold was not provided.
  • the gas temperature on the inlet side of the exhaust manifold was set to 1100 ° C.
  • the air flow rate was adjusted to 1.5 m 3 / min in each tubular portion.
  • the flange was cooled by water-cooling a connection block made of SUS304 and adjusting the amount of water so that the material temperature of the flange was 340 ° C.
  • ⁇ T measurement temperature ⁇ measurement temperature of the reference example.
  • the steel types E, H, and J which are examples, show no high temperature strength and oxidation resistance after cracking and thinning due to deformation and abnormal oxidation after 100 hours of continuous operation.
  • the temperature of the exhaust gas decreased by about 50 ° C. compared with the reference example even after 100 hours of continuous operation, and the heat removal performance was good.
  • steel type K which is a comparative example, partially loses due to deformation and abnormal oxidation after 100 hours of continuous operation, and after 100 hours of continuous operation, the temperature of the exhaust gas is about 50 ° C. lower than that of the reference example. It was not possible to remove heat.
  • the present invention can be used as a heat transfer body for a manifold for transferring heat of exhaust gas to a manifold body in an exhaust manifold that guides high-temperature exhaust gas from an engine to a manifold converter or an exhaust pipe.
  • Heat transfer body for manifold 12 Exhaust manifold 13 Manifold body 14 Engine 41 Heat transfer body for manifold 46 Heat transfer body for manifold 51 Heat transfer body for manifold 54 Heat transfer body for manifold

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Abstract

　マニホールド本体の熱疲労を抑制でき、かつ、高温強度および耐酸化性が良好であるマニホールド用熱伝達体を提供する。　マニホールド用熱伝達体11の少なくとも一部をフェライト系ステンレス鋼にて形成する。フェライト系ステンレス鋼は、質量％で、０．０３％以下のＣと、２．０％以下のＳｉと、２．０％以下のＭｎと、１０～３０％のＣｒと、０．８％以下のＮｂおよび０．８％以下のＴｉの少なくとも一種と、０．０３％以下のＮとを含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる。また、Ａ値＝Ｎｂ＋Ｔｉ－４（Ｃ＋Ｎ）とする（１）式のＡ値が０．１０以上で、かつ、Ｂ値＝Ｃｒ＋１５Ｓｉとする（２）式のＢ値が１８以上となるようにフェライト系ステンレス鋼の合金成分を調整する。

Description

マニホールド用熱伝達体
　本発明は、エンジンからの高温の排気ガスをマニホールドコンバータや排気管などに導くエキゾーストマニホールドにおいて、排気ガスの熱をマニホールド本体に伝達するためのマニホールド用熱伝達体に関する。
　従来、エキゾーストマニホールドでは、エンジンからの排気ガスがフランジを介してマニホールド本体に流入し、流入した排気ガスが集合部で集合して集合部の流出口からマニホールドコンバータや排気管などに流出される。
　このようなエキゾーストマニホールドでは、マニホールド本体のエンジン側である上流側は、フランジの接触面がエンジンの水冷等に伴って冷却されるため、排気ガスからの熱伝達により材料温度が上昇しにくいものの、マニホールド本体の集合部側である下流側になるにしたがって排気ガスからの熱伝達により材料温度が上昇する。そのため、マニホールド本体の下流側では、エキゾーストマニホールドによる排気ガスの抜熱効果が低下し、集合部や集合部付近では、温度上昇に伴う熱ひずみが発生して、いわゆる熱疲労という破壊が発生してしまう。特に、近年では、低燃費化や環境対策の観点からエンジンの排気ガス温度は上昇する傾向にあるため、マニホールド本体の熱疲労を抑制することが重要視されている。
　そこで、エキゾーストマニホールドの材料として耐熱性を改善させたフェライト系ステンレス鋼が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特願平６－８８１６８号公報（第３－６頁、図１）
　しかしながら、今後さらなるエンジンの改善等から排気ガス温度がさらに上昇すると予想されており、上述のような材料面からの耐熱性の向上だけでなく、エキゾーストマニホールドにおける構造面からもマニホールド本体の熱疲労を抑制することも重要である。
　本発明はこのような点に鑑みなされたもので、マニホールド本体の熱疲労を抑制でき、かつ、高温強度および耐酸化性が良好なマニホールド用熱伝達体を提供することを目的とする。
　請求項１に記載されたマニホールド用熱伝達体は、エキゾーストマニホールドにおいてエンジンからの排気ガスが流れるマニホールド本体の少なくとも上流側に位置し、前記エンジンからの排気ガスの熱をマニホールド本体に伝達するマニホールド用熱伝達体であって、少なくとも一部が、質量％で、０．０３％以下のＣと、２．０％以下のＳｉと、２．０％以下のＭｎと、１０～３０％のＣｒと、０．８％以下のＮｂおよび０．８％以下のＴｉの少なくとも一種と、０．０３％以下のＮとを含み残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるとともに、Ａ値＝Ｎｂ＋Ｔｉ－４（Ｃ＋Ｎ）とする（１）式で示されるＡ値が０．１０以上でかつＢ値＝Ｃｒ＋１５Ｓｉとする（２）式で示されるＢ値が１８以上となるように合金成分が調整されたフェライト系ステンレス鋼にて形成されたものである。
　請求項２に記載されたマニホールド用熱伝達体は、請求項１記載のマニホールド用熱伝達体において、フェライト系ステンレス鋼は、質量％で、３．０％以下のＣｕ、３．０％以下のＭｏおよび３．０％以下のＷのうちの少なくとも一種を含有するものである。
　本発明によれば、排気ガスの熱をマニホールド本体に伝達して排気ガスの温度を低下させてマニホールド本体の熱疲労を抑制でき、かつ、高温強度および耐酸化性が良好である。
本発明の一実施の形態に係るマニホールド用熱伝達体が設けられたエキゾーストマニホールドの構成を示す斜視図である。 同上マニホールド用熱伝達体の変形例を示す斜視図である。 同上マニホールド用熱伝達体の変形例を示す斜視図である。 同上マニホールド用熱伝達体の別の変形例を示す斜視図である。 同上マニホールド用熱伝達体の別の変形例を示す斜視図である。 同上マニホールド用熱伝達体の別の変形例を示す斜視図である。 加熱試験に用いたエキゾーストマニホールドおよびマニホールド用熱伝達体の構成を示す表である。
　以下、本発明の一実施の形態の構成について図１ないし図６を参照しながら詳細に説明する。
　図１において、11はマニホールド用熱伝達体であり、このマニホールド用熱伝達体11は、エキゾーストマニホールド12のマニホールド本体13に設けられている。
　マニホールド本体13は、エンジン14に取り付けられたフランジ15と、このフランジ15に接続された管状の管状体16とを備えている。
　フランジ15は、略矩形状に形成され、幅方向の略中央部に長手方向に沿って並んだ複数、例えば４つの円形状の流入口17が互いに離間して形成されている。これらの流入口17は、エンジン14の図示しない排出口に連通している。また、フランジ15の幅方向の両端部近傍には、それぞれ８つずつの円形状のボルト穴18が互いに長手方向に沿って離間して形成されている。フランジ15は、エンジン14に直接接触した状態でボルト穴18に図示しないボルトを螺着させて固定されている。
　管状体16は、プレス成形された上下の第１プレス材19および第２プレス材20にて構成されている。この管状体16は、流入口17の数に対応した複数、例えば４つの筒状の管状部23，24，25，26と、これら管状部23，24，25，26に一体に設けられた集合部27とを有した、いわゆるモナカ構造である。また、管状部23，24，25，26は、一端が流入口17にそれぞれ接続され、他端が集合部27に接続されて集合する。
　管状部23，24，25，26のうち外側に位置する管状部23，26は、流入口17から下流側へ略直線状にのびる直線管部28と、この直線管部28から略垂直方向へ湾曲して集合部27に接続される湾曲管部29とを有している。
　また、管状部23，24，25，26のうち内側に位置する管状部24，25は、流入口17から集合部27へ略直線状にのびる直線管部30を有している。
　集合部27は、管状部23，24，25，26の下流側である他端が集合する集合管部32と、この集合管部32の下面に形成された円形状の流出口33とを有している。この流出口33には、図示しないマニホールドコンバータや排気管が接続される。
　マニホールド本体13内では、流入口17と管状部23，24，25，26と集合部27とがエンジン14からの排気ガスの流路になる。すなわち、マニホールド本体13内の排気ガス流路は、上流側から下流側へ向かって順に位置する流入口17、管状部23，24，25，26、集合管部32および流出口33にて構成されている。
　マニホールド用熱伝達体11は、マニホールド本体13の上流側に位置するように流入口17に設けられ、排気ガス流路においてエンジン14からの排気ガスと接触する。
　マニホールド用熱伝達体11は、流入口17の周縁に一体に接続された４つの棒状の熱伝達部34を有し、これら熱伝達部34が略垂直に交差した略十字状に形成されている。また、マニホールド用熱伝達体11は、フランジ15をプレス加工する際に、打抜きにより流入口17と同時に形成される。
　マニホールド用熱伝達体11は、質量％で、Ｃ：０．０３％以下と、Ｓｉ：２．０％以下と、Ｍｎ：２．０％以下と、Ｃｒ：１０～３０％と、Ｎｂ：０．８％以下およびＴｉ：０．８％以下の少なくとも一種と、Ｎ：０．０３％以下とを含み残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるとともに、Ａ値＝Ｎｂ＋Ｔｉ－４（Ｃ＋Ｎ）とする（１）式のＡ値が０．１０以上で、かつ、Ｂ値＝Ｃｒ＋１５Ｓｉとする（２）式のＢ値が１８以上となるように合金成分が調整されたフェライト系ステンレス鋼にて形成されている。
　ここで、このフェライト系ステンレス鋼を構成する各合金成分およびこれら合金成分の含有量について説明する。なお、各合金成分の含有量は、特に記載しない限り質量％とする。
　Ｃ（炭素）およびＮ（窒素）は、一般的にクリープ強度などの高温強度を向上するために有効な元素であるが、０．３％を超えて過剰に含有させると、酸化特性、加工性、低温靭性および溶接性が低下する。したがって、Ｃの含有量およびＮの含有量は、それぞれ０．０３％以下とした。
　Ｓｉ（ケイ素）は、高温酸化特性を向上するために有効な元素であるが、２．０％を超えて過剰に含有させると、硬さが上昇し、加工性および低温靭性が低下する。したがって、Ｓｉの含有量は２．０％以下とした。
　Ｍｎ（マンガン）は、高温酸化特性、特にスケール剥離性を向上するために有効な元素であるが、２．０％を超えて過剰に含有させると、加工性および溶接性が低下する。また、Ｍｎは、オーステナイト安定化元素であるため、多量に添加するとマルテンサイト相が生成しやすくなり、熱疲労特性および加工性の低下の原因となる。したがって、Ｍｎの含有量は２．０％以下とした。
　Ｃｒ（クロム）は、フェライト相を安定化するとともに、高温材料にとって重要な耐酸化性を向上するために有効な元素である。これらの作用を十分に発揮するためには、１０％以上含有させることが好ましい。一方、３０％を超えて過剰に含有させると、脆化や加工性劣化の原因となる。したがって、Ｃｒの含有量は１０％以上３０％以下とした。
　また、耐酸化性に影響するＳｉおよびＣｒについて、Ｂ値＝Ｃｒ＋１５Ｓｉとする（２）式にてＢ値が１８以上となるようにＳｉおよびＣｒの含有量を調整することにより、排気ガス環境下においても耐酸化性が良好になる。したがって、上記のＳｉおよびＣｒの含有量において、（２）式のＢ値が１８以上となるようにＳｉおよびＣｒの含有量を調整するものとした。
　Ｎｂ（ニオブ）およびＴｉ（チタン）は、高温強度を向上するために有効な元素であるが、ＣやＮとの親和力が強く、過剰な添加は加工性や低温靭性の低下の要因となる析出物を形成しやすくなる。したがって、Ｎｂの含有量およびＴｉの含有量はそれぞれ０．８％以下とするとともに、０．８％以下のＮｂおよび０．８％以下のＴｉのうち少なくとも一方を含有させるものとした。
　また、高温強度に影響するＣ、Ｎ、ＮｂおよびＴｉについて、Ａ値＝Ｎｂ＋Ｔｉ－４（Ｃ＋Ｎ）とする（１）式にてＡ値が０．１０以上となるように含有量を調整することにより、排気ガスの高温環境下においても高温強度が良好になる。したがって、上記のＣ、Ｎ、ＮｂおよびＴｉの含有量において、（１）式のＡ値が０．１０以上となるようにＣ、Ｎ、ＮｂおよびＴｉの含有量を調整するものとした。
　Ｍｏ（モリブデン）およびＷ（タングステン）は、固溶強化による高温強度を向上するために有効な元素であるので、含有させることにより高温強度を向上できるので好ましい。しかしながら、３．０％を超えて過剰に含有させると、炭化物やＬａｖｅｓ相を形成して高温強度や低温靭性を阻害する要因となる。したがって、ＭｏおよびＷは必要に応じて含有させ、含有させる場合のＭｏの含有量およびＷの含有量は３．０％以下とした。
　Ｃｕ（銅）は、ε－Ｃｕ相の微細分散析出現象を利用して６００℃前後での強度を高め、熱疲労特性を向上させ、また、８５０℃を超える高温域では、Ｃｕの固溶強化を利用して高温強度を向上させるので、含有することにより高温強度を向上できるので好ましい。しかしながら、３．０％を超えて過剰に含有させると、加工性、低温靭性および溶接性を低下させてしまう。したがって、Ｃｕは必要に応じて含有させるものとし、含有させる場合のＣｕの含有量は３．０％以下とした。
　そして、マニホールド用熱伝達体11は、上記のように調整されたフェライト系ステンレス鋼にて形成されているので、エンジン14からの排気ガスが流入口17を通過する際に、排気ガスの熱を奪うことができるとともに、奪った熱をマニホールド本体13に伝達できる。したがって、マニホールド本体13を流れる排気ガスの温度を、エンジン14から排出された際の温度より低下でき、高温の排気ガスによる集合部27や集合部27近傍などの材料温度の上昇を抑制できるため、温度上昇に起因する熱ひずみなどの発生を防止して、エキゾーストマニホールド12における構造面からマニホールド本体13の熱疲労を抑制できる。なお、排気ガスの温度を低下できることにより、集合部27の流出口33に接続されるマニホールドコンバータなどの触媒の劣化を防止できる。
　また、マニホールド用熱伝達体11は、上記のように調整されたフェライト系ステンレス鋼にて形成されているので、マニホールド本体13の熱疲労を抑制できるだけでなく、高温強度および耐酸化性が良好である。したがって、排気ガスに曝されることによるマニホールド用熱伝達体11自体の熱疲労および異常酸化を抑制できる。
　なお、上記一実施の形態では、マニホールド用熱伝達体11は、いわゆるモナカ構造のエキゾーストマニホールド12に設けられたものとしたが、このような構成には限定されず、例えば、パイプを曲げて管状体が形成されたいわゆるパイプ構造のエキゾーストマニホールドなど、モナカ構造以外のエキゾーストマニホールドにも適用できる。
　マニホールド用熱伝達体11は、マニホールド用熱伝達体11全体が上記のように調整されたフェライト系ステンレス鋼にて形成されている必要はなく、少なくとも一部が上記のように調整されたフェライト系ステンレス鋼にて形成されていればよい。
　マニホールド用熱伝達体11は、フランジ15のプレス加工の際に打抜きにより流入口17と同時に形成され、流入口17の周縁に一体に接続された構成にしたが、このような構成には限定されず、フランジ15とは別個に形成したものを、流入口17に接合して取り付ける構成にしてもよい。
　また、マニホールド用熱伝達体11は、流入口17に設けられた構成には限定されず、マニホールド本体13の少なくとも上流側に位置していればよく、例えば、管状体16内部に設けてもよい。
　さらに、マニホールド用熱伝達体11は、全体がマニホールド本体13の上流側に位置する構成には限定されず、マニホールド本体13の少なくとも上流側に位置していれば、例えば、マニホールド用熱伝達体11の一部がマニホールド本体13の下流側やマニホールド本体13外に位置した構成にしてもよい。
　マニホールド用熱伝達体11は、略十字状の形状としたが、このような構成には限定されず、その形状は、図２ないし図６に示す変形例の形状などのように適宜設計できる。
　図２および図３に示すマニホールド用熱伝達体41は、２つの略矩形状の熱伝達板42にて形成されている。これら熱伝達板42は、一端部の略中央から熱伝達板42の略中心にわたって直線状の切込部43が形成されている。このような２つの熱伝達板42は、切込部43を介して互いに略垂直な状態で係合可能である。また、マニホールド用熱伝達体41は、係合した２つの熱伝達板42にて形成された４つの熱伝達部44を有している。これら４つの熱伝達部44は略垂直に交差している。
　また、マニホールド用熱伝達体41は、マニホールド本体13の管状部23，24，25，26の直線管部28，30内に位置するように第１プレス材19と第２プレス材20との間に設けられている。
　さらに、マニホールド用熱伝達体41は、第１プレス材19と第２プレス材20とを溶接して管状体16を形成する際に、各熱伝達部44の先端部が管状部23，24，25，26の内周部に接触するように、第１プレス材19および第２プレス材20に溶接して取り付けられる。
　このような構成のマニホールド用熱伝達体41は、直線管部28，30内において排気ガスの流動方向において熱伝達部44が面状になるため、排気ガスと接触可能な面積を十分に確保でき、排気ガスの熱を効果的に奪うことができる。また、各熱伝達部44の先端が管状部23，24，25，26の内周部に接触しているため、排気ガスから奪った熱を効率よく管状部23，24，25，26に伝達できる。したがって、排気ガスの温度を効果的に低下できマニホールド本体13の熱疲労を抑制できる。
　また、排気ガスの流動方向において熱伝達部44が面状になるので、排気ガスの流路の開口面積を十分に確保でき、マニホールド用熱伝達体41が排気ガスの流動に対する障害になりにくい。
　図４に示すマニホールド用熱伝達体46は、フランジ15の流入口17に接続され、略垂直に交差した４つの熱伝達部47を有している。これら熱伝達部47は、流入口17の周縁に接続された棒状の基部48と、この基部48から下流側へ向かって突出する扇状の突出部49とを有している。
　このようなマニホールド用熱伝達体46は、基部48から下流側へ突出する突出部49を有するため、通過する排気ガスと接触可能な面積を十分に確保でき、排気ガスの熱を奪いやすい。また、基部48が流入口17の周縁に接続されるので、突出部49にて奪った排気ガスの熱をマニホールド本体13に伝達しやすい。したがって、排気ガスの温度を効果的に低下できマニホールド本体13の熱疲労を抑制できる。
　また、マニホールド用熱伝達体46は、棒状の基部48が流入口17の周縁に接続され、この基部48から扇状の突出部49が下流側へ突出するので、流入口17の開口面積を十分に確保でき、排気ガスの流動に対する障害になりにくい。
　図５に示すマニホールド用熱伝達体51は、流入口17に設けられた１つの棒状の熱伝達部52を有し、一字状に形成されている。すなわち、熱伝達部52は、流入口17を横断するように設けられている。
　このようなマニホールド用熱伝達体51は、フランジ15をプレス加工する際に、打抜きにより流入口17と同時に形成される。したがって、マニホールド用熱伝達体51は、簡単な構成で容易に形成できる。
　図６に示すマニホールド用熱伝達体54は、交差した８つの棒状の熱伝達部55を有している。これら熱伝達部55は、マニホールド用熱伝達体54の中心部から放射状にのび、流入口17の周縁に接続されている。
　このようなマニホールド用熱伝達体54は、フランジ15をプレスの際に、打抜きにより流入口17と同時に形成できる。
　また、マニホールド用熱伝達体54は、複数の熱伝達部55が交差して中央部から放射状にのびているため、図５に示す構成に比べて、排気ガスと接触可能な面積を大きく確保でき排気ガスの熱を奪いやすいとともに、排気ガスから奪った熱を各熱伝達部55にて多方向に伝達できるので、熱の伝達作用が良好であり、排気ガスの温度を効果的に低下できる。
　以下、実施例および比較例について説明する。
　まず、表１に示す合金成分のフェライト系ステンレス鋼を用いてマニホールド用熱伝達体を形成した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　鋼種Ａないし鋼種Ｊは、上記の規定を満たすフェライト系ステンレス鋼を用いた実施例である。
　鋼種Ｋは、Ａ値＝Ｎｂ＋Ｔｉ－４（Ｃ＋Ｎ）とする（１）式にて示されるＡ値が０．１０未満で、かつ、Ｂ値＝Ｃｒ＋１５Ｓｉとする（２）式にて示されるＢ値が１８未満のフェライト系ステンレス鋼を用いた比較例である。
　鋼種Ｌは、（１）式にて示されるＡ値が０．１０未満で、（２）式にて示されるＢ値が１８以上のフェライト系ステンレス鋼を用いた比較例である。
　鋼種Ｍは、（１）式にて示されるＡ値が０．１０以上であり、（２）式にて示されるＢ値が１８未満のフェライト系ステンレス鋼を用いた比較例である。
　そして、これらの実施例および比較例について、高温強度を評価するために９００℃における高温引張試験を行い、耐酸化性を評価するために水蒸気量１０％雰囲気中で９００℃－２００ｈの連続酸化試験を行った。これら高温引張試験および連続酸化試験の結果を表２に示す。
　なお、高温引張試験では、９００℃での０．２％耐力を測定し、２０Ｎ／ｍｍ２以上であったものを◎で示し、１５Ｎ／ｍｍ２以上２０Ｎ／ｍｍ２未満であったものを○で示し、１０Ｎ／ｍｍ２以上１５Ｎ／ｍｍ２未満であったものを△で示し、１０Ｎ／ｍｍ２未満であったものを×で示し、１０Ｎ／ｍｍ２以上であれば高温強度が良好であると評価した。
　また、連続酸化試験では、１０％水蒸気雰囲気で９００℃連続酸化試験後の酸化増量を測定し、１ｍｇ／ｃｍ２以下であったものを◎で示し、１ｍｇ／ｃｍ２超１０ｍｇ／ｃｍ２以下であったものを○で示し、１０ｍｇ／ｃｍ２超２０ｍｇ／ｃｍ２以下であったものを△で示し、２０ｍｇ／ｃｍ２超であったものを×で示し、２０ｍｇ／ｃｍ２以下であれば、異常酸化が生じておらず耐酸化性が良好であると評価した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２に示すように、（１）式のＡ値が０．１０以上でかつ（２）式のＢ値が１８以上である鋼種Ａないし鋼種Ｊの実施例は、９００℃の０．２％耐力が１０Ｎ／ｍｍ２以上と高く、高温強度に優れていたのに加え、９００℃－２００ｈの酸化増量が２０ｍｇ／ｃｍ２以下と低く、耐酸化性にも優れていた。
　一方、（１）式のＡ値が０．１０未満でかつ（２）式のＢ値が１８未満である鋼種Ｋの比較例は、９００℃の０．２％耐力が１０Ｎ／ｍｍ２より低く、高温強度に優れていないのに加え、９００℃－２００ｈの酸化増量が２０ｍｇ／ｃｍ２超と高く、耐酸化性にも優れていなかった。
　（１）式のＡ値が０．１０未満で、（２）式のＢ値が１８以上である鋼種Ｌの比較例は、９００℃の０．２％耐力が１０Ｎ／ｍｍ２より低く、高温強度が優れていないものの、９００℃－２００ｈの酸化増量が２０ｍｇ／ｃｍ２以下と低く、耐酸化性が優れていた。
　（１）式のＡ値が０．１０以上で、（２）式のＢ値が１８未満である鋼種Ｍの比較例は、９００℃の０．２％耐力が１０Ｎ／ｍｍ２以上と高く、高温強度に優れているものの、９００℃－２００ｈの酸化増量が２０ｍｇ／ｃｍ２超と高く、耐酸化性が優れていなかった。
　次に、図７に示すように、いわゆるモナカ構造のエキゾーストマニホールドを用いて、上記各実施例および比較例のフェライト系ステンレス鋼にて形成したマニホールド用熱伝達体を設け、エキゾーストマニホールドの加熱試験を行った。
　エキゾーストマニホールドは、管状体にＳＵＳ４３０Ｊ１Ｌ／２ｍｍｔのプレス品を用いた。また、フランジは、表１に示す各鋼種／３．０ｍｍｔをそれぞれ用い、十字状に打抜いてマニホールド用熱伝達体を形成した。さらに、参考例として、フランジを円形状に打抜き、マニホールド用熱伝達体を設けない場合においても加熱試験を行った。
　加熱試験では、電気ヒータ式の加熱装置を用い、エキゾーストマニホールドの流入口側のガス温度を１１００℃とし、送風量が各管状部にて１．５ｍ３／分となるように調整した。また、フランジの冷却は、ＳＵＳ３０４製の接続ブロックを水冷し、フランジの材料温度が３４０℃となるように水量を調整した。
　そして、エキゾーストマニホールドの集合部において、材料温度および排気ガス温度を測定した。また、鋼種Ｅ，Ｈ，Ｊの実施例および鋼種Ｋの比較例を用いて、加熱試験の条件で１００ｈ連続運転し、連続運転後のマニホールド用熱伝達体について、連続加熱による変形および異常酸化の程度を調査した。この結果を表３に示す。
　なお、材料温度および排気ガス温度の測定におけるΔＴは、実施例および比較例の測定温度と、参考例の測定温度との差である。すなわち、ΔＴ＝測定温度－参考例の測定温度である。また、変形の調査では、変形にて座屈の発生が認められたものを×で示し、特に変形が認められなかったものを○で示した。さらに、異常酸化の調査では、異常酸化による減肉が発生していたものを×で示し、特に減肉が認められなかったものを○で示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　表３に示すように、実施例および比較例の結果と参考例の結果とを比較すると、マニホールド用熱伝達体を設けることにより、エキゾーストマニホールドの集合部での材料温度が低下するとともに、エキゾーストマニホールドの集合部での排気ガス温度が低下しており、実施例および比較例ともに優れた抜熱性を示した。
　また、実施例である鋼種Ｅ，Ｈ，Ｊは、１００ｈ連続運転後において、変形および異常酸化による亀裂や減肉の発生が認められず、優れた高温強度および耐酸化性を示すとともに、表３に示していないものの、１００ｈ連続運転後においても、参考例に比べて排気ガスの温度が５０℃前後低下し、抜熱性は良好であった。
　一方、比較例である鋼種Ｋは、１００ｈ連続運転後において、変形および異常酸化により一部が欠損し、１００ｈ連続運転後において、参考例に比べて排気ガスの温度に５０℃程度の低下が見られず、抜熱性が低下していた。
　本発明は、エンジンからの高温の排気ガスをマニホールドコンバータや排気管などに導くエキゾーストマニホールドにおいて、排気ガスの熱をマニホールド本体に伝達するためのマニホールド用熱伝達体として利用可能である。
　11　　マニホールド用熱伝達体
　12　　エキゾーストマニホールド
　13　　マニホールド本体
　14　　エンジン
　41　　マニホールド用熱伝達体
　46　　マニホールド用熱伝達体
　51　　マニホールド用熱伝達体
　54　　マニホールド用熱伝達体

Claims (2)

  1. 　エキゾーストマニホールドにおいてエンジンからの排気ガスが流れるマニホールド本体の少なくとも上流側に位置し、前記エンジンからの排気ガスの熱をマニホールド本体に伝達するマニホールド用熱伝達体であって、
    　少なくとも一部が、質量％で、Ｃ：０．０３％以下と、Ｓｉ：２．０％以下と、Ｍｎ：２．０％以下と、Ｃｒ：１０～３０％と、Ｎｂ：０．８％以下およびＴｉ：０．８％以下の少なくとも一種と、Ｎ：０．０３％以下とを含み残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるとともに、下記（１）式で示されるＡ値が０．１０以上でかつ下記（２）式で示されるＢ値が１８以上となるように合金成分が調整されたフェライト系ステンレス鋼にて形成された
    　ことを特徴とするマニホールド用熱伝達体。
    　（１）式：Ａ値＝Ｎｂ＋Ｔｉ－４（Ｃ＋Ｎ）
    　（２）式：Ｂ値＝Ｃｒ＋１５Ｓｉ
  2. 　フェライト系ステンレス鋼は、質量％で、Ｃｕ：３．０％以下、Ｍｏ：３．０％以下およびＷ：３．０％以下のうちの少なくとも一種を含有する
    　ことを特徴とする請求項１記載のマニホールド用熱伝達体。
PCT/JP2011/068056 2010-08-10 2011-08-08 マニホールド用熱伝達体 WO2012020727A1 (ja)

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